Основные понятия

Цель, для которой создается энергетика, - это энергоснабжение. Это основная тема. Мы создали эту систему для того, чтобы преобразовывать различные первичные типы энергоносителей в ту энергию, которая нам необходима для использования в быту, в экономике. У нас есть два типа энергии. Прежде всего, это электроэнергия, но также в энергетике мы имеем дело с тепловой энергией. 

Весь процесс, который охватывает всю нашу систему от первичной энергии, которая приходит на станцию, где генерируется энергия, через ее распределение к конкретным потребителям, и является процессом энергоснабжения. Основной элемент системы, для кого и для чего все это создавалось, это прежде всего потребители. Для потребителей важны определенные параметры, определенные задачи, которые они выполняют с помощью электроэнергии, с помощью тепловой энергии, потому что сама по себе энергия нам обычно не нужна, нужны нам те полезные свойства, те полезные действия, которые она помогает нам получать. 

Это означает, что на стороне потребителя возникают электроприборы либо тепловые приборы. Тепловая энергетика попроще, это разные отопительные элементы. А вот что касается электроэнергии, то с ней будет посложней. Но для обоих видов энергии нам важно, чтобы электроэнергия и тепловая энергия была у нас тогда, когда нам это необходимо. Это первое, что нам нужно. И, соответственно, хорошо бы, чтобы она была там, где она нам нужна. 

Из этого возникают два первых понятия, которые нужны для потребителя, это надежность энергоснабжения и доступность энергии для потребителя. Что касается электроэнергии, там возникают еще другие свойства, связанные с самим типом этого энергоносителя, с физикой электричества и того, какой способ мы выбрали для того, чтобы передавать энергию от генератора к потребителю. И, соответственно, здесь понадобится понятие частоты, потому что мы выбрали переменный ток и договорились об определенной частоте. В частности, в нашей стране это 50 Гц. И напряжение, это то напряжение, на котором работают энергоприборы у потребителя. Они бывают разные, но в основном, если мы имеем в виду бытовые, то это 220 вольт или 380 вольт, соответственно, однофазное и трехфазное напряжение, это фактически одно и то же напряжение, только мы меряем разницу между фазами в трехфазном напряжении либо между нулем и фазой в однофазном напряжении, которое обычно есть в розетке, вот наши типичные 220 вольт на 50 Гц. В других странах эти договоренности другие. Но везде, по всему миру мы договорились, что это будет переменное напряжение с определенной частотой, и если у вас частота не совпадает, то большинство ваших приборов не будет работать, не будет работать холодильник, но будет работать телевизор, будет работать телефон, будет работать чайник, те приборы, в которых либо есть преобразование из разных классов напряжения, сильное понижение, как в электронике, либо там, где это преобразование в тепло и где частота не так уж важна. Но во многих применениях - стиральные машины, холодильники, электродрели - мы встретимся с тем, что нам очень важна частота, и без нее, без ее соблюдения электроприборы работать не будут. А если мы говорим о промышленности, что является, все-таки, даже большим, чем бытовое потребление электроэнергии, то там большинство потребителей представляют из себя разного рода машины. Вот для электрических машин частота важна. Соответственно, отклонение от частоты - это проблема, отклонение от напряжения - это проблема. Либо оно не запускается, если у нас просто выходит напряжение из заданного диапазона плюс/минус пять процентов, либо у нас еще могут быть отклонения напряжения, связанные с тем, что у нас возникают различные шумы и помехи - это пробросы, скачки напряжения, это высшие гармоники. То есть то, что не соответствует этой частоте: либо большие частоты, либо какие-то сигналы, которые напоминают модуляцию, радиосигналы, то, что на него накладывается. Чем меньше всех этих помех, тем лучше для электроприборов, потому что все настроено под то, чтобы работать со стандартным качеством напряжения.

Следующая часть энергоснабжения - это место, где первичная энергия перерабатывается в электрическую или тепловую энергию. Соответственно, здесь возникает понятие генерация электроэнергии. И те предприятия, которые занимаются преобразованием, называются генерацией. Соответственно, те машины, которые преобразуют, называются генераторами. 

Кама ГЭС (автор prudnikow, лицензия Pixabay)

Для них важен тип первичного энергоносителя, тип первичной энергии, из чего мы получаем электрическую или тепловую энергию. Для них важно понятие коэффициента полезного действия - то отношение полученной полезной энергии к первичной энергии, которая была затрачена на то, чтобы получить необходимую нам электрическую или тепловую энергию. Для электрических машин и предприятий важна мощность, которую они выдают в сеть. И также для того, чтобы обеспечивать устойчивость энергосистемы. Вот то, что для потребителей выглядит как надежность, поддержание частоты, поддержание напряжения, необходимая готовность, то есть возможность использовать мощность, которая есть у энергопредприятия, и маневренность, это способность изменять эту мощность в соответствии с потребностями энергосистемы. 

Для передачи от генерации потребителям электроэнергии, тепловой энергии, существуют сети. Для тепловой энергии - это тепловые сети. Также отдельным дополнительным классом, который уже стоит на границе с другой инфраструктурой - водоснабжения, появляется горячее водоснабжение - это вид теплоносителя. Очень немногие потребители потребляют пар, то есть тепло в виде пара. Соответственно, везде возникают сети: водоснабжения, тепловые сети или сети пароснабжения, но они обычно короткие, это все - достаточно экзотическая история. А вот что касается электрических сетей, то это самые интересные разветвленные сети, прежде всего мы имеем дело здесь с понятием энергосистемы. 

(автор Ken Kistler, общественное достояние)

Вот электрические сети объединены в энергосистему, и большая часть, например, нашей страны объединена и находится в единой энергосистеме, где поддерживается постоянный баланс частоты и напряжения. И все, все, все потребители до границы, которая проходит в Чите на Дальнем Востоке, в районе Читы, в частности, это Могоча, объединены в общую сеть. Кстати, сейчас там уже стоит разделительная вставка постоянного тока, таким образом, они объединены в сеть, но не объединены по частоте и напряжению. Но тем не менее связанность практически всей страны, кроме удаленных автономных районов, в единую энергосистему обеспечивают сети. 

Соответственно, сети - это сложная структура, для передачи на большие расстояния нам необходимы высокие напряжения, соответственно, сети подразделяются по классам напряжения. В нашей стране разработаны сети, начиная от 0,4 кВ, это наши 380 В бытовые, до 1150 кВ. Все эти классы напряжения у нас были разработаны, сейчас линия электропередач самого высокого напряжения, которая шла через Казахстан, работает на напряжении 500 кВ, поэтому фактически она не задействовано, но тем не менее разработаны линии, разработана сеть. Она существует, эту линию можно, если за Уралом на границе с Казахстаном будете, посмотреть вживую. Там опоры стоят, напряжение, хоть и маленькое, но тем не менее оно идет по тем устройствам, которые разрабатывались для сверхнапряжения, это самое высокое напряжение в мире, которое разрабатывалось в нашей стране.

Опора ЛЭП 1150кВ в Челябинской области (автор Кирилл Аристов, общественное достояние)

И, соответственно, для того чтобы получать у себя дома ту энергию, которую нам нужно, от этого большого напряжения необходимо преобразование электроэнергии. Для преобразования электроэнергии существуют трансформаторы, и вот это предприятие, которое занимается преобразованием и распределением энергии, называется трансформаторной подстанцией. Они существуют от самых маленьких, которые помещаются на столбе, до огромных подстанций, в которых могут быть объединены три или даже четыре класса напряжений, и которые являются центром для энергоснабжения достаточно крупных районов. 

(автор OtoZapletal, лицензия Pixabay)

Соответственно, для того чтобы передавать электроэнергию нам нужны будут линии. Существуют воздушные линии, где провода размещены на опорах, и кабельные, когда защищенные провода, защищенные проводники энергии помещаются в землю или в специальные тоннели, устройства. Те, кто живут в Москве, могут видеть такие линии, они в частности размещены часто в метро. Обычно крупные линии помещаются в землю, и в крупных городах большая часть электрораспределения находится в скрытом от нас виде, под землей в каналах.

(автор Alexei Chizhov, лицензия Pixabay)

Последнее, о чем я хотел бы рассказать в этой лекции, - как мы управляем энергосистемой. Управление является важным понятием для энергосистемы. Оно бывает техническое и технологическое, когда мы управляем техническими параметрами энергосистемы, в частности, к этому типу управления относится диспетчеризация, автоматические системы управления. Здесь возникает противоаварийное управление и, соответственно, понятие авария. В базовые понятия также входят понятия аварии и ремонта. Если внепланово что-то произошло в энергосистеме, это авария, если прекратилось при этом энергоснабжение, значит авария. При этом поскольку система сложная и надежная, оно прекратилось в какой-то части, и пока дело не приняло тяжелый оборот, мы предпринимаем меры. Для того, чтобы восстановить систему, существует аварийный ремонт. Но также для поддержания системы существует плановые ремонты и техническое перевооружение. Фактически капитальное строительство,  техническое перевооружение - это уже части другого процесса, который относится к экономике. И к экономике относится то, сколько мы затрачиваем на получение электроэнергии, как мы договариваемся с потребителями о том, чтобы эти затраты, понесенные на то, чтобы построить энергообъекты и потом их эксплуатировать, были возмещены, ну и также, чтобы в предприятиях возникала какая-то прибыль, которая уже распределяется согласно законам экономики, и это немножко другая история, которая относится к более общим типам отношений.

Для размышления

Чем, по-вашему, обусловлен выбор частоты промышленного тока? Какие могут возникнуть проблемы и какие появятся выгоды, если частоту существенно уменьшить? А увеличить?

Материалы

• Если бы энергетики читали Маркса. Останется ли электрическая сеть гегемоном энергетики будущего? Дмитрий Тимофеев.
• Наука 2.0 Энергетика. Электрические сети